L’illuminazione diventa cognitiva

Come per la maggior parte dei componenti elettronici, al termine del processo di produzione ogni Led ha normalmente un rendimento distinto. Nel caso dei Led, queste differenze di luminosità e colore determinano lo smistamento (binning) dei Led in un gran numero di singoli "bin" per ogni ciclo di produzione. Le aziende attive nel settore dell'illuminazione, consapevoli di quanto sia importante fornire un colore e un'illuminazione omogenei in ogni articolo prodotto in serie, utilizzano diversi sistemi per ottenere un risultato di qualità, ognuno dei quali cerca di raggiungere un compromesso tra costi e rendimento. Grazie alla maggior disponibilità di sensori cromatici ad alta precisione, si sono aperte nuove strade che permetteranno l'adozione di approcci innovativi al binning al fine di assicurare una qualità superiore della luce.

Binning e fedeltà cromatica
In concomitanza con la commercializzazione dei Led a luce bianca agli inizi dello scorso decennio, i produttori di Led hanno individuato subito la necessità di creare una strategia di binning ben definita, che potesse consentire ai produttori di sistemi di illuminazione di selezionare i Led in base a temperature di colore correlate sufficientemente precise per poter soddisfare le esigenze degli utenti in qualsiasi applicazione della tecnologia Led. L'occhio umano è molto sensibile alle differenze di colore, anche molto piccole: bastano 2-3 punti di deviazione standard di corrispondenza cromatica (Sdcm) per produrre una differenza di colore visibile ad alcuni osservatori. Una variazione di 2 Sdcm è essenzialmente sovrapponibile a 2 ellissi di MacAdam, o a ± 0,0010 u'v' su un diagramma di cromaticità Cie. Di conseguenza, tutti gli operatori del settore hanno cercato di implementare rapidamente delle norme per il binning in grado di soddisfare sia le necessità dei produttori di Led e semiconduttori sia la qualità della percezione umana dei colori. Il risultato di questi sforzi sono le norme Ansi C78.377A del 2008 per i lotti di Led, che rappresentano circa 7 step delle ellissi di MacAdam, con i fuochi di ciascuno step a Cct comuni sulla curva del corpo nero (Black Body Curve, o Bbc). I produttori hanno successivamente definito i loro sotto-bin specifici, che nella maggior parte dei casi dividono i bin Ansi in quartili. In alcuni casi si divide ulteriormente ciascuno dei quartili in altri quattro bin. I 16 sotto-bin all'interno di ogni bin Ansi in genere offrono la precisione di 1-2 ellissi di MacAdam, restituendo a tutti gli effetti un colore unico e omogeneo agli occhi della maggior parte degli osservatori.

Rapporto tra binning e costi
Quando un ciclo produttivo di Led è svolto alla perfezione, la variabilità del colore dei dispositivi risultanti sarà concentrata intorno al punto target (nella maggior parte dei casi l'intersezione tra la Cct selezionata e la curva del corpo nero), con una dispersione che presenta una minore concentrazione emanante verso l'esterno, spesso con un bias di tipo sudovest-nordest. Anche se tale distribuzione è il risultato di un processo perfetto, ci sono abbastanza variabili per non escludere totalmente le concentrazioni sfasate rispetto al centro. Mentre il binning tradizionale rende tali risultati trasparenti agli occhi degli acquirenti dei componenti, suggerisce anche che la disponibilità di un unico bin potrebbe essere soggetto a lievi, o addirittura forti, variazioni. I produttori possono attenuare la disomogeneità nelle forniture tramite una rete di distributori, ma si tratta di un semplice tamponamento delle carenze della fornitura e non di un effettivo rimodellamento della dispersione. Naturalmente ci si può aspettare che l'obiettivo dei produttori di Led sia di vendere ogni Led prodotto in un ciclo, vale a dire vendere tutti i bin. Mentre i produttori preferirebbero vendere tutti i bin a tutti i clienti, l'obiettivo contrastante dei produttori di sistemi di illuminazione è fornire un unico colore omogeneo per ogni articolo presente nel catalogo. L'approccio più semplice per un produttore di sistemi di illuminazione sarebbe ordinare tutti i Led per un singolo articolo dal sotto-bin più vicino all'intersezione Cct / Bbc. Purtroppo, quando la teoria affronta la realtà, è la realtà ad avere la meglio. In questo caso, il produttore di lampade che adotta tale approccio si espone a due incognite:

1) Rischio di forniture insufficienti, dovute alla variabilità di ogni ciclo di produzione;

2) Notevoli maggiorazioni del costo dei componenti, poiché la domanda di un singolo bin è diametralmente opposta all'obiettivo dei produttori di Led di vendere tutti i bin.

È come se un cliente volesse solo il buco di una ciambella, mentre il settore deve necessariamente produrre ciambelle intere. Se c'è solo un mercato per una serie di buchi, i costi delle ciambelle senza buchi "in eccesso" devono essere sostenuti dagli acquirenti dei buchi. Se ciascun cliente collaborasse e acquistasse tutti i "buchi" giusti dell'intero bin Ansi, la situazione potrebbe essere diversa, ma le applicazioni per il prodotto finale sono naturalmente indirizzate verso quelle combinazioni Bbc /Cct su tutta l'ampiezza delle temperature di colore comuni. I produttori di Led, riconoscendo la necessità di mantenere i prezzi bassi e la disponibilità delle forniture, hanno ideato numerosi sistemi per avvicinarsi al punto colore target in un modo economicamente efficace. Uno di questi approcci è stata la combinazione di diversi singoli die in un unico package Led integrato. Attraverso questo approccio, il produttore di Led seleziona un singolo die da due o più sotto-bin distanti dal punto colore target. Se il Led integrato ha la capacità di allocare differenti quantità di corrente di pilotaggio al singolo die, la selezione dei bin può effettivamente essere asimmetrica, con il die più vicino al punto di destinazione pilotato con maggiore energia (più luminosità) e quelli più lontani pilotati su livelli più bassi. Il risultato della simmetria o dell'asimmetria controllata è la possibilità di utilizzare i sotto-bin fuori dall'intersezione Cct /Bbc. I produttori di sistemi di illuminazione in genere scoprono che quel tipo di Led integrato permette una maggior omogeneità delle forniture. Lo sforzo di integrazione compiuto dal produttore dei Led implica una maggiorazione dei costi, seppur in genere inferiore alla maggiorazione dovuta all'uso di un singolo bin centrale. Questo concetto multi-bin è interamente applicabile ai dispositivi di illuminazione che impiegano una qualsiasi forma di matrice di Led. Molti produttori di sistemi di illuminazione attualmente adottano una strategia simile, acquistando i Led da diversi bin di colore e luminosità che circondano il punto colore target. Se tutti i Led dell'illuminazione saranno pilotati allo stesso modo, gli ingegneri di produzione useranno le medie matematiche per determinare quale composizione di bin possa creare la simmetria necessaria in un determinato ciclo di produzione. Benché questo approccio non consenta il risparmio che si otterrebbe acquistando le "fette della ciambella" invece dei soli "buchi", naturalmente bisogna tenere in conto i costi aggiuntivi di grandi scorte di bin "simmetrici", da tenere a portata di mano per soddisfare le esigenze di produzione reali. Ciò causa inoltre un aumento sensibile dei costi di gestione delle scorte e della pianificazione produttiva. Si può ottenere una flessibilità ancora maggiore se il design del prodotto prevede canali di pilotaggio indipendenti, che permettono al personale di fabbrica di programmare diverse correnti di pilotaggio per le diverse "sequenze" di bin in base alla loro resa in Cct e lumen, calcolate rispetto alle altre sequenze di bin (ognuna sul proprio canale) selezionate per il prodotto. I Led A e B sono più vicini al punto target rispetto ai Led C e D. Al livello più elementare, il Led C è utilizzato per "tirar via" il punto colore da A, mentre allo stesso modo il Led D tirerà via il punto colore dal Led B. Tenendo conto delle informazioni sul binning, della luminosità generale e dei calcoli Δu'v ', il progettista o l'ingegnere sarà in grado di calcolare la corrente di pilotaggio relativa che serve a ciascun canale per "guidare" la resa luminosa verso il punto colore desiderato. Le soluzioni possono includere due, tre o più canali, tenendo presente che meno canali si avranno a disposizione, minore sarà il numero di possibilità di incorporare altri bin. La programmabilità consente al produttore di specificare una selezione di sotto-bin ampia e variabile, non impedendo però ulteriori complicazioni nella produzione e nella tracciatura dei bin, compensate in parte dai vantaggi economici offerti dall'acquisto di una parte più consistente della "ciambella", lasciando "il buco" a qualcun altro. Che si opti per la programmazione o per la determinazione statistica dei bin accuratamente selezionati e tracciati, in entrambi i casi è obbligatorio scegliere i bin di un ciclo produttivo in base alla disponibilità delle scorte e all'accoppiamento dei bin determinato matematicamente, secondo limiti predeterminati che consentono una combinazione efficiente.

Aggiungere sensori per aumentare le possibilità di progettazione
In seguito alla diminuzione dei prezzi e all'aumento della precisione delle tecnologie per il rilevamento del colore, si è aperta una quarta possibilità che permetterà ai produttori di specificare una selezione di bin molto ampia, ottimizzare le scorte dei componenti e semplificare la gestione della produzione. Attraverso questo approccio, i Led con punti colore variabili a una certa distanza dalla Cct target devono solo essere definiti secondo la loro relazione con il punto colore target, senza tenere in considerazione i singoli sotto-bin in cui sono collocati. Il gruppo di sotto-bin in alto e a sinistra della Cct target può essere raggruppato in un lotto e inviato in produzione semplicemente come il "quadrante nord-ovest" e assegnato a uno dei canali di pilotaggio disponibili. Nel prodotto assemblato, al componente intelligente del sistema deve solo essere indicato quale quadrante del bin Ansi completo sia rappresentato dal canale e dai rispettivi Led. Ricevendo l'input del sensore cromatico, la ILC calcolerà in tempo reale la Cct combinata e l'uscita in lumen, regolando poi ogni canale per raggiungere automaticamente la Cct e la resa luminosa previste. Poiché i Led sono dispositivi ad accensione/spegnimento istantaneo, anche la regolazione del colore iniziale può essere realizzata in un batter d'occhio, anche se la maggior parte delle implementazioni manterranno l'ultimo bilanciamento usato come punto di partenza per ogni ciclo di accensione. Dato che si tratta di una soluzione dinamica a ciclo chiuso, la Cct e la resa desiderate saranno mantenute costanti in tutta la gamma di condizioni operative, così come per tutta la vita operativa del prodotto, migliorando notevolmente la soddisfazione degli utenti. Tale approccio può anche garantire una corrispondenza cromatica precisa tra le vecchie unità installate e le nuove, nel caso in cui un apparecchio sia stato danneggiato o subisca un guasto in un certo periodo di tempo. Quando si prende in considerazione il progetto iniziale, l'ingegnere dei sistemi dovrà valutare le condizioni limite dei sotto-bin in funzione della gamma di luminosità per i singoli canali, allo scopo di raggiungere la resa luminosa totale in lumen desiderata del prodotto. Se, ad esempio, il prodotto dipende dal funzionamento di ogni canale al 90% della corrente nominale per conseguire la resa luminosa totale richiesta, lascerà a ogni canale solo un ± 10% di margine per "tirare" la Cct combinata verso il proprio quadrante. Ciò può implicare la necessità di una maggiore simmetria tra i bin assemblati in ogni quadrante, probabilmente limitando la strategia di armonizzazione tra i bin. Lasciare un margine adeguato nella progettazione sarà una condizione fondamentale e dipenderà dalle possibilità di assemblare i vari bin immediatamente disponibili a un prezzo equo e che possono essere specificati per i diversi quadranti. A differenza delle altre strategie di bilanciamento della Cct basate sui bin, in cui è previsto l'acquisto di sotto-bin specifici che devono essere successivamente tracciati con cura, accoppiati per la produzione e pilotati tramite una predeterminata corrente, un'implementazione dinamica basata sui sensori consente ai produttori di usare senza limitazioni grandi set di bin, anche a basso costo o addirittura incompleti. L'approccio è totalmente dinamico e potrebbe addirittura permettere l'acquisto e l'assemblaggio dei bin prodotti da altri fornitori qualificati, a condizione che il quadrante della Cct relativo al punto colore sia noto e sufficientemente vincolato in base al margine definito per ciascun canale. Benché non sia possibile immaginare un binning completamente svincolato, tutte le condizioni limite per i sotto-bin possono essere definite durante la progettazione iniziale, senza necessità di implementarle successivamente durante la produzione e la pianificazione dei materiali. Il vantaggio di un tale approccio "progetta e dimentica" verso la scelta dei materiali è evidente: è molto utile per prevenire i "costi striscianti" che possono risultare da un costante bisogno di creare e mantenere scorte di Led "bilanciati" con la massima precisione possibile, come avviene con i metodi di assemblaggio più statici. Riassumendo, l'acquisto di bin molto più grandi (per usare una metafora, "l'intera ciambella"), consente ai produttori di sistemi di illuminazione una potenziale riduzione dei costi dei componenti Led del 25-50%, semplificando inoltre la movimentazione dei materiali e i processi produttivi. L'adozione di un'architettura di tipo Cct-adattivo, resa possibile dall'uso di sensori cromatici come quelli offerti dalle soluzioni "Cognitive Lighting" di ams, consente di implementare questa strategia innovativa ed economica. La Cognitive Lighting, o Illuminazione Cognitiva, permette di ottenere un mantenimento costante ed elevato di lumen e colori, rilevando la Cct o la luminanza emessa dal prodotto e compensando le variazioni di colori e lumen in funzione del tempo e della temperatura.

L'illuminazione intelligente che va oltre i controlli
Il lancio di dispositivi di illuminazione "intelligenti" sul mercato è un argomento sempre più discusso. Chiunque possieda uno smartphone e abbia familiarità con i concetti che ruotano intorno ai nodi di rete flessibili e alla connettività con "l'internet delle cose", può notare la loro somiglianza con questo approccio verso l'illuminazione. Ovviamente, l'Illuminazione Cognitiva conferirà ai nostri sistemi di illuminazione una capacità sempre maggiore di discernere i parametri legati all'ambiente, allo spazio e agli utenti. Le capacità di adattamento consentite dall'uso dei sensori permetteranno ai sistemi una regolazione automatica per compensare le attività e il funzionamento dei singoli componenti. Al contrario, non è ancora così evidente che l'Illuminazione Cognitiva basata sui sensori consenta anche la definizione di nuovi paradigmi di efficienza per la progettazione e la produzione dei nostri sistemi di illuminazione, fino al livello dei componenti più elementari. I sensori cromatici, in combinazione con le funzionalità di pilotaggio multi-canale e l'intelligenza locale, sono solo una delle tante nuove opportunità offerte da ams ai progettisti di sistemi di illuminazione per migliorare le capacità riducendo i costi e migliorando le prestazioni del sistema sia al momento dell'installazione sia durante tutta la vita operativa del prodotto installato.

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